Запущен первый российский проект по исследованию геномов животных Арктики

В России стартовал проект по изучению геномов живых организмов Арктики «Тысяча арктических геномов». Ученым предстоит создать генетические банки данных и произвести полногеномное секвенирование арктических обитателей, чтобы оценить биоразнообразие и использовать полученные данные для его сохранения.

Основная работа запущенной осенью 2024 г. инициативы по изучению геномов живых организмов Арктики «Тысяча арктических геномов» планируется в 2025 г. и будет продолжаться три следующих года. Проект совместно с негосударственным институтом развития «Иннопрактика» и ООО «Биотек кампус» реализует компания «Роснефть», для которой он является частью научно-исследовательской программы в российской Арктике. В рамках программы за последние 10 лет проведено уже более 50 научных экспедиций.

Новый проект призван создать генетический банк данных порядка тысячи разнообразных живых организмов, населяющих Арктику. Как рассказал профессор кафедры молекулярной биологии биологического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова (МГУ), координатор научного совета проекта по исследованию геномов арктических организмов Петр Каменский, это не только птицы, рыбы, млекопитающие и другие крупные организмы, но и беспозвоночные животные, например черви, моллюски, ракообразные, и даже микроорганизмы. Предполагается, что благодаря исследованию ученые смогут получить полногеномные последовательности как минимум 100 видов арктических животных, уточнил заведующий геномной лабораторией «Биотек кампус» Евгений Климук (лаборатория принимает участие в проекте).

С тем, какие именно живые организмы попадут под микроскоп генетиков, еще предстоит определиться: научное сообщество будет предлагать свои варианты для полногеномного анализа.

Зачем нужно секвенировать геном

Арктика – стратегически важный для РФ регион, поэтому поставлена задача сохранить на этой территории биоразнообразие, рассказал Климук. Сбор генетической информации позволит ученым исследовать эволюцию животных, изучить их особенности, а также степень антропогенного влияния на экосистемы.

Как отметила заведующая лабораторией эволюционной геномики и палеогеномики Зоологического института Российской академии наук Наталья Абрамсон, Арктический регион очень уязвим, поскольку он подвергается как сильному антропогенному воздействию, так и серьезным климатическим колебаниям из-за потепления и таяния льдов. Все это влечет негативные последствия как для автохтонной арктической фауны, так и для человека, считает ученый. «Но прежде чем что-то охранять и говорить об устойчивом развитии, необходимо по крайней мере провести инвентаризацию фауны, а в отношении многих групп беспозвоночных здесь большие пробелы, – сказала Абрамсон. – Генетические исследования в инвентаризации фауны и описания биоразнообразия – ключевой инструмент».

Анализ геномных данных позволяет понять механизмы эволюции видов и развития адаптаций к суровым условиям Арктики, оценить уровень благополучия популяций, расширить понимание того, как функционирует тот или иной организм, пояснил Каменский. «Кроме того, геномная информация может оказаться критически важной при попытке восстановить вымирающие виды в будущем», – отметил ученый.

Биологи пояснили, что живые организмы, обитающие в экстремальных условиях, нередко имеют необычные свойства, помогающие выжить в суровом климате. «Чаще всего это умение продуцировать какую-то интересную биологическую молекулу, белок или антибиотик», – рассказал Каменский. По его словам, эти свойства человек может использовать в биотехнологии, медицине или пищевой промышленности.

Первый этап проекта – составление списка видов, которые будут подвергнуты полногеномному анализу. Это «краеугольный камень проекта», поскольку должно быть абсолютно ясно, зачем нужно секвенировать геном того или иного вида, говорит Каменский.

«Результат секвенирования – это просто много-много букв A, T, G и C в компьютерном файле, их нужно долго и тщательно анализировать, и наша задача – понимать, кто из российских ученых может заниматься таким анализом для каждого включенного в список вида и какую пользу для науки и технологии принесут результаты такого анализа», – прокомментировал Каменский. Для этого ученые предлагают своим коллегам принять участие в формировании списка. Каждое предложение проанализируют эксперты проекта, и затем будет принято решение о включении в список того или иного вида.

«Мы уже собираем обоснованные научные заявки, – отметил Климук. – Научное сообщество очень заинтересовано в этом проекте: мы получаем очень большой отклик от ученых».

Белый медведь. Начало

О генетическом разнообразии популяций позвоночных животных, населяющих российскую Арктику, ученым известно немного, утверждает Абрамсон. По ее словам, белому медведю, символу региона, сегодня в мире уделяется огромное внимание и каждый год выходят интересные научные исследования с геномными данными. Однако недавние публикации на эту тему основаны исключительно на образцах с Аляски и из канадской Арктики, при этом исследования и генетические данные из российской Арктики, на которую приходится большая часть ареала этого вида, отсутствуют.

«Вместе с тем такие данные имели бы ключевое значение для понимания современного состояния популяций белого медведя, прогноза их численности, поведения и планирования мер охраны», – считает Абрамсон. Именно белый медведь возглавит список первоочередных работ нового российского проекта. Сборку полного генома белого медведя проведут сотрудники «Биотек кампуса».

«Наличие высококачественных геномных сборок для репрезентативных выборок из популяций, населяющих Арктику, позволит оценить состояние генофондов и генетическое разнообразие», – прокомментировала эксперт. Это, в свою очередь, открывает огромные возможности не только для исследования состояния здоровья популяций, но также и для выявления уязвимых популяций под угрозой исчезновения, добавила она.

Уникальность проекта

Сегодня учеными во всем мире расшифровано несколько сотен геномов животных, рассказал Климук. Это либо животные, имеющие значение для сельского хозяйства или медицины, либо вымирающие виды без учета конкретных мест их обитания. Секвенирование и сравнение геномов требуют больших финансовых вложений, поэтому подобная работа под силу только крупным консорциумам, которые существуют на деньги либо государства, либо каких-то крупных компаний, пояснил эксперт.

В мире известно о нескольких масштабных проектах в этой сфере. Один из них – проект «Геномы позвоночных» (Vertebrate Genomes Project), который был запущен в 2015–2016 гг. Проект призван составить высококачественные референсные геномы для всех млекопитающих, птиц, амфибий, рептилий и рыб, конечная задача – получение геномов более 70 000 видов позвоночных. Однако о результатах этого проекта давно нет новостей. «Многие программы, громко стартовавшие несколько лет назад, либо заморожены, либо вообще прерваны», – отметил Климук.

Единственный успешный проект из этой области – китайский Bird 10 000 Genomes Project, считает Климук. По данным ученого, это исследование находится на половине пути и будет успешно завершено через два года. Проект ведет Пекинский институт геномики (Beijing Genomics Institute), который является одним из крупнейших в мире центров генетических исследований.

В России генетическими исследованиями животных занимаются разные группы и отдельные специалисты, рассказала Абрамсон. Если не брать во внимание прикладные институты, изучающие сельскохозяйственных животных, то это группы ученых, в основном работающие в профильных институтах Российской академии наук (РАН) и в университетах: Институте проблем экологии и эволюции им. А. Н. Северцова РАН, Институте биологии развития им. Н. К. Кольцова РАН, Институте общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН, МГУ, Санкт-Петербургском государственном университете, Институте цитологии и генетики Сибирского отделения (СО) РАН, Институте молекулярной и клеточной биологии СО РАН, Лимнологическом институте СО РАН, Иркутском государственном университете.

Как отметил Каменский, проектов, сфокусированных именно на Арктике, в мире довольно мало. Ученый привел в пример проект Arctic Genomics, который является консорциумом лабораторий, занимающихся геномными исследованиями Арктики. «Это отдельные научные коллективы со всего мира, которые не объединены конкретными общими целями. Их глобальная цель – изучить арктическое биоразнообразие», – пояснил он, добавив, что российский проект действительно уникален в мировом масштабе, поскольку в нем ставится задача проведения широких геномных исследований биоразнообразия Арктики силами единой команды специалистов.